中科院合肥研究院等：發現氫和氘的高壓新相圖

【成果簡介】

經過一個多世紀的研究，人們本以為位于元素周期表中的第一個元素——氫的溫度和壓力相圖已基本確立，但近期中組部“外專千人計劃”專家Eugene Gregoryanz帶領中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所科研團隊發現，在低溫和高壓區域中，作為氫的同位素氘還存在一個尚未揭示的第二新相II￠。這項研究也修改了氫和氘在廣泛壓力溫度范圍的第一(I)、二(II)、三(III)相存在的邊界，一個更為全面廣泛的相圖被建立起來。這些發現于8月7日在國際物理學期刊Physical Review Letters以題為“High-Pressure Behavior of Hydrogen and Deuterium at Low Temperatures”在線發表，固體所為第一單位，固體所助理研究員劉曉迪為論文第一作者和通訊作者。

【圖文導讀】

圖1 相圖

（a）氫的相圖。

（b）氘的相圖以及在氘中發現的新相II￠（紅色五角星標注）

圖2 照片

Eugene Gregoryanz（左一）和劉曉迪（右一）等正在進行氫的高壓低溫拉曼光譜測量

【研究內容】

氫以及其同位素是唯一一個在元素周期表中可以用量子力學嚴格求解的元素，也是科學和技術發展最為關注的元素。作為清潔能源，它與氧化學反應生成水，因此在能源發展上具有優勢和潛力。它在壓縮狀態下可以作為火箭的推進劑，在高溫高壓下形成的金屬形態可以為行星周圍磁場的形成提供解釋。理論上早已預言金屬氫是一個室溫或高溫超導體，若能夠實現可能帶來新的技術革命，這個超導體在低溫狀態下被認為可能存在一個新的超流物質態。隨著低溫和高壓技術的發展，經過一個多世紀的努力，氫與其同位素的I、II、III相的相圖本已被廣泛接受，其第四(IV)相和第五(V)相在2012和2016年也相繼被發現。然而，新的實驗發現具有強烈量子效應的相II區域仍存在尚未被觸及的新現象，有待進一步深入研究，以理解氫與其同位素從弱分子間相互作用力的高壓相I，II，III到強分子間相互作用力的高壓相IV，V的演化關系。

基于搭建的卓越高壓平臺，固體所極端環境量子物質中心博士劉曉迪、研究員Eugene Gregoryanz與合作者利用在我國自主搭建的充氣系統，將氫氣充載進金剛石對頂砧中，利用高壓低溫拉曼光譜系統，獲得了氫和氘在壓力（0-200?GPa）和溫度（4-300?K）范圍內的一系列等溫變壓和等壓變溫拉曼光譜。研究發現，氫的同位素氘的振動頻率隨溫度變化中出現與早前熟知的第二相II不同的特征，這個新相（氘II￠相）存在于壓力為25-110?GPa之間，溫度低于125 K區域，但在相同溫度壓力條件下的氫中并沒有觀察到此相，使得氘II￠相成為目前唯一一個氫氘不共有的低溫相。分析表明，氘II￠相的出現是量子效應的結果，由于氘相對于氫較低的零點能以及分子間強的相互作用而導致復雜的轉動運動。另外，研究還獲得了氫和氘的相I到相II轉變，相II到相III轉變的證據，得到了精確的氫和氘相I、II和III的相邊界，更新了氫和氘的高壓低溫相圖。此研究是三十多年來氫氘在中壓低溫區研究的一大突破，對于理解氫的高壓相圖、相II中的量子效應等具有重要意義。?

這項重要發現使固體所成為世界高壓氫研究的“重鎮”，該所極端環境量子物質中心的兩位外專千人Eugene Gregoryanz和Alexander Goncharov正是氫第IV相的共同發現者，2016年1月Eugene Gregoryanz指導研究生在國際刊物Nature上報道了氫的第V相的發現，而這次得到的包含氫和氘的第I、II、III相的新相圖是在Alexander Goncharov 2011年工作的基礎上完成的。

該工作得到了中組部千人計劃項目、國家外國專家局、 國家自然科學基金和安徽省自然科學基金的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201708/t20170821_4611692.shtml

文獻鏈接：High-Pressure Behavior of Hydrogen and Deuterium at Low Temperatures (Phys. Rev. Lett., 2017, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.065301)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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